华东理工CH1(简化)剖析

1、第一章第一章 绪绪 论论1.1 化学反应工程学的研究对象和目的化学反应工程学的研究对象和目的1.3 化学反应工程的研究方法化学反应工程的研究方法1.2 化学反应工程的研究内容化学反应工程的研究内容1.4 化学反应工程在工业反应过程开化学反应工程在工业反应过程开 发中的作用发中的作用一、化学反应工程发展简述一、化学反应工程发展简述 自然界物质的变化过程有物理的和化学的两类，其中自然界物质的变化过程有物理的和化学的两类，其中物理过程可以不牵涉到化学反应，但化学过程却总是与物物理过程可以不牵涉到化学反应，但化学过程却总是与物理因素如温度、压力、浓度等有着紧密的联系。所以化学理因素如温度、压力、浓度等

2、有着紧密的联系。所以化学反应过程是物理与化学两类因素的综合体反应过程是物理与化学两类因素的综合体, 然而，直到本世然而，直到本世纪五十年代还一直未形成一门专门研究化学反应过程的独纪五十年代还一直未形成一门专门研究化学反应过程的独立学科，在立学科，在1957年举行的第一次欧洲反应工程会议确立了年举行的第一次欧洲反应工程会议确立了这一学科的名称，以后逐步形成了今日的化学反应工程学这一学科的名称，以后逐步形成了今日的化学反应工程学科体系，我国科体系，我国70年代后逐渐开设这门课程。年代后逐渐开设这门课程。二、化工生产中设备的分类二、化工生产中设备的分类 任何化工产品的生产是通过一定的工艺过程实现的。

3、工任何化工产品的生产是通过一定的工艺过程实现的。工艺过程是指从原料到制得产品的全过程。艺过程是指从原料到制得产品的全过程。下图是以乙烯为原料生产乙醛的工艺过程。下图是以乙烯为原料生产乙醛的工艺过程。乙烯氧化生成乙醛反应：乙烯氧化生成乙醛反应： C2H4+ 0.5O2 = CH3CHO乙烯氧化制乙醛乙烯氧化制乙醛氧气氧气乙烯乙烯鼓泡反应器鼓泡反应器除沫分离器除沫分离器粗乙醛贮槽粗乙醛贮槽10粗乙醛粗乙醛去火炬焚烧去火炬焚烧循循环环乙乙烯烯 吸吸收收塔塔 每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同的特点：的特点：1.1.工艺过程是由设备、管道、阀门和控制仪表组

4、成工艺过程是由设备、管道、阀门和控制仪表组成的。的。2.2.化工设备分为两大类。化工设备分为两大类。 不含化学反应的设备；化学反应器。不含化学反应的设备；化学反应器。1 1）不含化学反应的设备）不含化学反应的设备 这类设备中没有发生化学反应，只改变物料的状态、物这类设备中没有发生化学反应，只改变物料的状态、物理性质，不改变其化学性质。理性质，不改变其化学性质。 鼓风机、泵、换热器、冷却塔和贮槽等设备中没有化学鼓风机、泵、换热器、冷却塔和贮槽等设备中没有化学反应发生，只有物理过程，是不含化学反应的设备。反应发生，只有物理过程，是不含化学反应的设备。 在鼓风机和泵中只有能量的转换，从电能转换成机械

5、能，在鼓风机和泵中只有能量的转换，从电能转换成机械能，输送物料；输送物料； 在换热器和冷却塔中只改变物料的温度，物料的化学性在换热器和冷却塔中只改变物料的温度，物料的化学性质没有发生变化；质没有发生变化； 贮槽只是起贮存物料的作用。贮槽只是起贮存物料的作用。2 2）化学反应器）化学反应器 在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物料的化学性质。料的化学性质。 图中鼓泡塔是化学反应器。物料在反应器中发生了化图中鼓泡塔是化学反应器。物料在反应器中发生了化学反应，物料的化学性质发生了变化。学反应，物料的化学性质发生了变化。 化工生产过程是由物理过

6、程和化学反应过程组成的。化化工生产过程是由物理过程和化学反应过程组成的。化工设备分为工设备分为“物理型物理型”和化学反应器两大类。在化学反应和化学反应器两大类。在化学反应器中发生化学反应，由原料转换成产物，是化工生产的核器中发生化学反应，由原料转换成产物，是化工生产的核心设备。心设备。 “ “化学反应工程化学反应工程”的研究对象是工业规模的化学反应器。的研究对象是工业规模的化学反应器。三、化学反应工程的范畴及三、化学反应工程的范畴及相关学科相关学科1、化学反应工程的范畴、化学反应工程的范畴 化工过程从原料到产品都可概括为三个组成部分：原料的预化工过程从原料到产品都可概括为三个组成部分：原料的预

7、处理、化学反应、产物的分离。处理、化学反应、产物的分离。原料原料 预处理预处理 反应反应 分离精制分离精制 产品产品排气排气排污排污 其中原料的预处理和产物的分离是化学反应的要求和结其中原料的预处理和产物的分离是化学反应的要求和结果，化学反应过程是化工生产的核心。果，化学反应过程是化工生产的核心。反应工程 化工热力学工程控制传递过程催化剂化学工艺流体力学稳定性反应动力学计量化学最优化技术最优化技术放大设计2、与化学反应工程相关的其它学科、与化学反应工程相关的其它学科 化学热力学：化学热力学： 主要是确定物系的各种物性参数，分析反应进行的可能性和主要是确定物系的各种物性参数，分析反应进行的可能性

8、和可能达到的程度等。可能达到的程度等。 反应动力学：反应动力学： 专门阐明化学反应速度与各项物理因素之间的定量关系。专门阐明化学反应速度与各项物理因素之间的定量关系。 催化剂：催化剂： 催化剂的问题一般属于化学或工艺的范畴。但也牵涉到许多催化剂的问题一般属于化学或工艺的范畴。但也牵涉到许多工程上的问题。如粒内的传热、气体分子在微孔中的扩散等。工程上的问题。如粒内的传热、气体分子在微孔中的扩散等。 化学工艺：化学工艺： 主要是设备型式、操作方式和流程。主要是设备型式、操作方式和流程。 工程控制：工程控制： 一项反应技术的实施有赖于适当的操作控制。为此需要一项反应技术的实施有赖于适当的操作控制。为

9、此需要了解关于反应过程的动态特性和有关的最优化问题。了解关于反应过程的动态特性和有关的最优化问题。 传递工程：传递工程： 装置中的动量传递、热量传递和质量传递问题。装置中的动量传递、热量传递和质量传递问题。1.1 化学反应工程的研究对象和目的化学反应工程的研究对象和目的 化学反应工程学是一门研究涉及化学反应的工程问题的化学反应工程学是一门研究涉及化学反应的工程问题的学科。对于已经在实验室中实现的化学反应，如何将其在工学科。对于已经在实验室中实现的化学反应，如何将其在工业规模实现是化学反应工程学的主要任务。业规模实现是化学反应工程学的主要任务。为了这一目标，化学反应工程学不仅研究化学反应速率与为

10、了这一目标，化学反应工程学不仅研究化学反应速率与反应条件之间的关系，即化学反应动力学，而且，着重研究反应条件之间的关系，即化学反应动力学，而且，着重研究传递过程对化学反应速率的影响；研究不同类型反应器的特传递过程对化学反应速率的影响；研究不同类型反应器的特点及其与化学反应结果之间的关系。点及其与化学反应结果之间的关系。v工业规模的化学反应较之实验室规模要复杂得多，在实工业规模的化学反应较之实验室规模要复杂得多，在实验室规模上影响不大的质量和热量传递因素，在工业规验室规模上影响不大的质量和热量传递因素，在工业规模可能起着主导作用。在工业反应器中既有化学反应过模可能起着主导作用。在工业反应器中既有

11、化学反应过程，又有物理过程。物理过程与化学过程相互影响，相程，又有物理过程。物理过程与化学过程相互影响，相互渗透，有可能导致工业反应器内的反应结果与实验室互渗透，有可能导致工业反应器内的反应结果与实验室规模大相径庭。规模大相径庭。v工业反应器中对反应结果产生影响的主要物理过程是：工业反应器中对反应结果产生影响的主要物理过程是：(1)由物料的不均匀混合和停留时间不同引起的传质过程；由物料的不均匀混合和停留时间不同引起的传质过程；(2)由化学反应的热效应产生的传热过程；由化学反应的热效应产生的传热过程；(3)多相催化反多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散与传热过程。这些物理过程应中在催化剂微孔内的扩

12、散与传热过程。这些物理过程与化学反应过程同时发生。与化学反应过程同时发生。v从本质上说，物理过程不会改变化学反应过程的动力学从本质上说，物理过程不会改变化学反应过程的动力学规律，即反应动力学规律不因为物理过程的存在而发生规律，即反应动力学规律不因为物理过程的存在而发生变化。但是流体流动、传质、传热过程会影响实际反应变化。但是流体流动、传质、传热过程会影响实际反应场所的温度和参与反应的各组分浓度在空间上的分布，场所的温度和参与反应的各组分浓度在空间上的分布，最终影响到反应的结果。最终影响到反应的结果。化学反应工程的研究对象是以工业规模进行的化学反化学反应工程的研究对象是以工业规模进行的化学反应过

13、程；目的是实现工业反应过程的优化。应过程；目的是实现工业反应过程的优化。 优化：指在一定范围内选择一组优惠的决策变量（反应优化：指在一定范围内选择一组优惠的决策变量（反应器结构、操作方式、工艺条件），使系统对于确定的评价标器结构、操作方式、工艺条件），使系统对于确定的评价标准达到最佳状态。工业反应过程的优化涉及约束条件、优化准达到最佳状态。工业反应过程的优化涉及约束条件、优化目标和决策变量等问题。目标和决策变量等问题。1.1.1 约束条件约束条件 工业反应过程的优化往往受工艺流程上、下游处理能力工业反应过程的优化往往受工艺流程上、下游处理能力的限制；受爆炸极限的约束；受反应器材料耐热性的约束。

14、的限制；受爆炸极限的约束；受反应器材料耐热性的约束。即过程优化往往是有约束条件的。即过程优化往往是有约束条件的。优化目标包括经济指标和技术指标两种优化目标包括经济指标和技术指标两种 任何一个化学反应过程要想实现工业化，首先必须在技任何一个化学反应过程要想实现工业化，首先必须在技术上可行，然后要考虑经济上的合理性。术上可行，然后要考虑经济上的合理性。 1.1.3 优化的技术指标优化的技术指标 反应过程的主要技术指标有三个。反应过程的主要技术指标有三个。（1）反应速率反应速率（2）反应选择性）反应选择性（3）能量消耗。）能量消耗。 本书讨论反应速率和反应选择性两个基本技术指标。本书讨论反应速率和反

15、应选择性两个基本技术指标。1.1.2 优化的经济指标优化的经济指标 工业反应过程的经济指标指生产某一产品所需的成本或工业反应过程的经济指标指生产某一产品所需的成本或是产品的利润大小。作为工业生产须考虑低成本、高利润。是产品的利润大小。作为工业生产须考虑低成本、高利润。一、反应速率一、反应速率 指反应系统中某一物质在单位时间、单位反应区内的反应指反应系统中某一物质在单位时间、单位反应区内的反应量。对一定大小的反应设备和物料处理量，反应速率的大小实量。对一定大小的反应设备和物料处理量，反应速率的大小实际上反映了反应物料的转化程度，即转化率。际上反映了反应物料的转化程度，即转化率。定义：转化率定义：

16、转化率反应物中着眼组分反应物中着眼组分A转化掉的量与其初始量转化掉的量与其初始量的比值。的比值。AA组分 在反应器中反应掉的量转化率组分 进入反应器的量00AAAAnnxn 组分组分A的选取原则的选取原则vA必须是反应物，它在原料中的量按照化学计量方程计算必须是反应物，它在原料中的量按照化学计量方程计算应当可以完全反应掉（与化学平衡无关），即转化率的应当可以完全反应掉（与化学平衡无关），即转化率的最大值应当可以达到最大值应当可以达到100%，如果体系中有多于一个组份，如果体系中有多于一个组份满足上述要求，通常选取重点关注的、经济价值相对高满足上述要求，通常选取重点关注的、经济价值相对高的组分定

17、义转化率。的组分定义转化率。定义：定义： 转转化化为为目目的的产产物物P P消消耗耗的的原原料料A A量量反反应应掉掉的的原原料料A A量量二、反应选择率二、反应选择率 对于复杂反应，同一原料可以生成两种以上的不同产物，对于复杂反应，同一原料可以生成两种以上的不同产物，有目的产物和副产物。如下反应有目的产物和副产物。如下反应 ： pP （主反应）（主反应） aA sS（副反应）（副反应） PPOAOAannpnn 三、收率三、收率摩尔收率定义：摩尔收率定义： PPOAOannpn 生生成成目目的的产产物物P P消消耗耗的的原原料料A A量量通通入入的的原原料料A A量量转化率、选择性、收率之间

18、的关系：转化率、选择性、收率之间的关系：Ax 质量收率定义：质量收率定义： 生生成成目目的的产产物物P P的的质质量量质质量量收收率率通通入入的的原原料料A A的的质质量量 反应器反应器分离器分离器产品产品新鲜新鲜原料原料未反应原料未反应原料 对具有回收循环的流程，若不计损耗，反应总转化率为百分对具有回收循环的流程，若不计损耗，反应总转化率为百分之百，此时的收率叫总收率。之百，此时的收率叫总收率。定义：总收率定义：总收率 转转化化为为目目的的产产物物的的原原料料量量进进入入系系统统的的新新鲜鲜原原料料量量=转转化化为为目目的的产产物物的的原原料料量量单单程程收收率率通通入入反反应应器器的的原原

19、料料量量反应器反应器分离器分离器产品产品原料原料未反应原料未反应原料例题例题1. 乙苯脱氢反应流程采用原料分离回收循环操作。已知：乙苯脱氢反应流程采用原料分离回收循环操作。已知：原料乙苯进入反应器的量为原料乙苯进入反应器的量为100kg/h,反应器出口物料中乙苯反应器出口物料中乙苯的流量为的流量为46kg/h，产品苯乙烯的流量为，产品苯乙烯的流量为48kg/h，假设分离过，假设分离过程中无损失，求反应的转化率、选择性、单程摩尔收率和质程中无损失，求反应的转化率、选择性、单程摩尔收率和质量收率、总摩尔收率和质量收率。量收率、总摩尔收率和质量收率。100-46=0.54100100-46=1.01

20、00-46Ax 反反应应掉掉的的乙乙苯苯量量单单程程转转化化率率通通入入反反应应器器的的乙乙苯苯量量反反应应掉掉的的乙乙苯苯量量总总转转化化率率通通入入系系统统的的新新鲜鲜乙乙苯苯量量解：解：10648104=0.906100-46 转转化化为为苯苯乙乙烯烯的的乙乙苯苯量量选选择择性性反反应应掉掉的的乙乙苯苯量量 10648104=0.489100 转转化化为为苯苯乙乙烯烯的的乙乙苯苯量量单单程程摩摩尔尔收收率率通通入入反反应应器器的的乙乙苯苯量量48=0.48100生生成成苯苯乙乙烯烯的的质质量量单单程程质质量量收收率率通通入入反反应应器器的的乙乙苯苯的的质质量量10648104=0.906

21、100-46 转转化化为为苯苯乙乙烯烯的的乙乙苯苯量量总总摩摩尔尔收收率率通通入入系系统统的的新新鲜鲜乙乙苯苯量量 48=0.889100-46 生生成成苯苯乙乙烯烯的的质质量量总总质质量量收收率率进进入入系系统统的的新新鲜鲜乙乙苯苯的的质质量量1.1.4 决策变量决策变量工业反应过程优化的决策变量主要有三个：工业反应过程优化的决策变量主要有三个：（1）结构变量）结构变量 （2）操作方式）操作方式 （3）工艺条件）工艺条件 工业反应器的型式多种多样，分类方法也有多种：工业反应器的型式多种多样，分类方法也有多种：一、结构变量一、结构变量 指反应器的型式和结构尺寸。指反应器的型式和结构尺寸。1 1

22、、按操作方式分类、按操作方式分类 间歇操作反应器间歇操作反应器 连续操作反应器连续操作反应器 半连续操作反应器半连续操作反应器 绝热式反应器绝热式反应器 间接传热反应器（又分外部换热型和自身换热型）间接传热反应器（又分外部换热型和自身换热型） 直接传热反应器（如通水蒸气）直接传热反应器（如通水蒸气）2、按传热方式分类、按传热方式分类3 3、按相态分类、按相态分类 均相反应器均相反应器( (气相、液相气相、液相) ) 气固相（固定床、流化床）气固相（固定床、流化床） 非均相反应器非均相反应器 气液相（鼓泡搅拌釜、鼓泡塔）气液相（鼓泡搅拌釜、鼓泡塔） 液固相液固相 4 4、按反应装置的结构型式分类

23、、按反应装置的结构型式分类 管式反应器；管式反应器；一般长径比大于一般长径比大于30 塔式反应器；塔式反应器；一般高径比在一般高径比在330之间之间 釜式反应器；釜式反应器；一般高径比为一般高径比为13 固定床反应器；固定床反应器； 流化床流化床反应器反应器； 移动床反应器等移动床反应器等 每一类型中又有各种不同的具体结构。每一类型中又有各种不同的具体结构。二、操作方式二、操作方式 反应器的操作方式分为间歇操作、连续操作和半连续反应器的操作方式分为间歇操作、连续操作和半连续操作三种。操作三种。 间歇操作用于产量小、品种多变的过程，优点：简便间歇操作用于产量小、品种多变的过程，优点：简便灵活；缺

24、点：每批生产之间有辅助时间，劳动强度大，产灵活；缺点：每批生产之间有辅助时间，劳动强度大，产品质量不易稳定。品质量不易稳定。 连续操作用于大规模工业生产，生产易于控制，产品质连续操作用于大规模工业生产，生产易于控制，产品质量稳定。量稳定。三、工艺条件三、工艺条件 主要指温度、浓度、反应时间、操作线速度、催化剂粒主要指温度、浓度、反应时间、操作线速度、催化剂粒度等。度等。1.2 化学反应工程的研究内容化学反应工程的研究内容1.2.1 化学反应过程化学反应过程1、容积反应过程、容积反应过程 反应在一定的容积中发生，如气相或液相的均相反应。反应在一定的容积中发生，如气相或液相的均相反应。 工业反应器

25、中进行的过程包括化学反应过程和物理过程。工业反应器中进行的过程包括化学反应过程和物理过程。 容积反应和表面反应具有不同的特征，就单位时间内的反容积反应和表面反应具有不同的特征，就单位时间内的反应物转化量来说，前者正比于反应容积；后者正比于反应表面应物转化量来说，前者正比于反应容积；后者正比于反应表面积的大小。积的大小。2、表面反应过程、表面反应过程 反应在催化剂表面上发生，如气固相催化反应。反应在催化剂表面上发生，如气固相催化反应。1.2.2 物理过程物理过程 工业反应器内的物理过程包括流体流动和混合、传质和传热。工业反应器内的物理过程包括流体流动和混合、传质和传热。这些过程的存在将改变反应器

26、内的浓度和温度分布，最终影响反这些过程的存在将改变反应器内的浓度和温度分布，最终影响反应结果。应结果。1、返混和不均匀流动、返混和不均匀流动返混：不同停留时间的流体质点间的相互混合。返混：不同停留时间的流体质点间的相互混合。简单混合与返混简单混合与返混 若相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的，具有若相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的，具有相同的反应程度，混合后的物料必然与混合前的物料完全相相同的反应程度，混合后的物料必然与混合前的物料完全相同。这种发生在停留时间相同的物料之间的均匀化过程，称同。这种发生在停留时间相同的物料之间的均匀化过程，称之为简单混合。之为简单混合。2、传质过程、

27、传质过程 对非均相反应，多数情况下反应是在单一相中进行的，对非均相反应，多数情况下反应是在单一相中进行的，要求反应物要以一定的速度传递到反应相。由此会引起反应要求反应物要以一定的速度传递到反应相。由此会引起反应相内各部位的浓度差异。相内各部位的浓度差异。 如果发生混合前的物料在反应器内停留时间不同，反如果发生混合前的物料在反应器内停留时间不同，反应程度就不同，组成也不会相同。混合之后的物料组成与应程度就不同，组成也不会相同。混合之后的物料组成与混合前必然不同，反应速率也会随之发生变化，这种发生混合前必然不同，反应速率也会随之发生变化，这种发生在停留时间不同的物料之间的均匀化过程，称之为返混。在

28、停留时间不同的物料之间的均匀化过程，称之为返混。不均匀流动：如流体在管内流动时呈现的抛物线形速度分不均匀流动：如流体在管内流动时呈现的抛物线形速度分布。布。 3、传热过程、传热过程 化学反应伴有热效应需与外界进行热交换，传热需有传热化学反应伴有热效应需与外界进行热交换，传热需有传热推动力，由此会引起反应相内各部位的温度差异。推动力，由此会引起反应相内各部位的温度差异。 综上述：流体流动、传质、传热是工业反应器内难以避免综上述：流体流动、传质、传热是工业反应器内难以避免的过程，从本质上讲它们并没有改变反应过程的动力学规律，的过程，从本质上讲它们并没有改变反应过程的动力学规律，但它们会影响反应场所

29、的浓度和温度在时间和空间上的分布，但它们会影响反应场所的浓度和温度在时间和空间上的分布，从而最终影响反应结果。从而最终影响反应结果。 化学反应的实质是微观的，传递过程是宏观的，考虑了传化学反应的实质是微观的，传递过程是宏观的，考虑了传递过程影响的动力学叫宏观动力学递过程影响的动力学叫宏观动力学化学反应工程的任务：化学反应工程的任务：研究工业化学反应器的基本原理，综合研究研究工业化学反应器的基本原理，综合研究反应器中的反应过程和传递过程，正确选择反应反应器中的反应过程和传递过程，正确选择反应器的型式、确定最佳操作条件，对反应器进行最器的型式、确定最佳操作条件，对反应器进行最佳设计和最优控制，为过程开发和反应器